油页岩是一种高灰分可燃矿物,在热解、燃烧过程中产生大量固体废弃物——页岩灰。页岩灰的资源化利用是油页岩工业可持续发展的必要前提。重金属镉目前是我国水体的第一类污染物,开发廉价、高效的吸附剂是该研究领域的重要课题。本论文以油页岩灰为原料,针对重金属镉的吸附处理,采用碱熔水热合成法制备沸石吸附剂。对沸石制备过程可控参数、沸石生成机理、吸附性能及机理等进行研究;以高硅、低铝的油页岩灰和低硅、高铝的粉煤灰作为原料,通过改变油页岩灰与粉煤灰的混配比例,调控合成原料硅铝比,优化沸石孔径结构,制备油页岩灰/粉煤灰复合型沸石,有效提高了对重金属镉的吸附性能。本论文获得的主要结论如下:1.油页岩灰碱熔水热合成法制备Na-X型沸石(1)利用油页岩灰,采用碱熔水热合成法制备X型沸石。龙口灰制备条件:熔融温度600℃,灰碱比1:1.2g/g,固液比1:4g/mL,晶化温度80℃,晶化时间24h;桦甸灰制备条件:熔融温度600℃,灰碱比1:1.5g/g,固液比1:4g/mL,晶化温度80℃,晶化时间12h。(2)油页岩灰制备沸石具有典型的八面体形貌,形状规整;其XRD谱图与标准卡片(PDF#12-0246:Na2Al2Si2.4O8.8·6.7H2O)的谱图相吻合,具有Na-X型沸石的特征衍射峰;通过固体核磁共振谱图计算得制备沸石的骨架结构Si/Al比分别是:龙口灰沸石1.23和桦甸灰沸石1.22,与XRD分析结果一致。(3)龙口灰沸石和桦甸灰沸石的比表面积分别为252m2/g和313m2/g,离子交换容量分别为59.81mg/g和61.12mg/g;与原料油页岩灰相比,比表面积提高了约70倍,孔容积提高了 10倍以上,离子交换容量提高了将近2倍。2.油页岩灰制备Na-X型沸石对重金属镉的吸附性能(1)油页岩灰制备沸石对Cd2+的吸附过程符合二级动力学模型。该吸附过程的速率主要由两个步骤控制,初始阶段为粒子外扩散过程,第二阶段为内扩散过程。(2)油页岩灰制备沸石对Cd2+的吸附过程属于单分子层的化学吸附;根据Langmuir吸附等温线方程得到龙口灰沸石和桦甸灰沸石对Cd2+的最大理论吸附容量分别为 192.31mg/g 和 189.49mg/g。(3)在不同吸附温度下,油页岩灰制备沸石对Cd2+的吸附过程ΔG值为负值,说明该吸附过程是自发进行的;ΔH值为正值,说明该吸附过程是一个吸热过程。(4)通过XPS分析,油页岩灰制备沸石对重金属Cd2+的吸附机理为离子交换作用。3.油页岩灰与粉煤灰混配制备复合型沸石对重金属镉的吸附性能(1)以高硅、低铝的油页岩灰和低硅、高铝的粉煤灰为原料,通过改变油页岩灰和粉煤灰的混配比例,调控合成原料硅铝比,采用碱熔水热合成法制备油页岩灰/粉煤灰复合型沸石吸附剂。当油页岩灰混配比例较高时,复合型沸石为X型沸石;当粉煤灰混配比例较高时,复合型沸石为A型沸石。(2)油页岩灰/粉煤灰复合型沸石对Cd2+的吸附过程适合二级动力学模型,表明其吸附速率与油页岩灰/粉煤灰复合型沸石表面剩余的吸附位点的平方数成正比。(3)油页岩灰/粉煤灰复合型沸石对Cd2+的吸附过程属于单分子层的化学吸附。通过Langmuir吸附等温线方程得到不同油页岩灰与粉煤灰的混配比例为:龙口灰75%、粉煤灰25%和桦甸灰50%、粉煤灰50%制备的复合型沸石吸附容量最大,分别是236.41mg/g和204.08mg/g;与单一油页岩灰制备沸石对Cd2+的吸附容量相比,均显著提高。(4)不同温度下,油页岩灰/粉煤灰复合型沸石对Cd2+的吸附过程,ΔG值为负值,表明该吸附过程是自发进行的;ΔH值为正值,说明该吸附过程是一个吸热过程。(5)油页岩灰/粉煤灰复合型沸石对Cd2+的吸附机理与以单一油页岩灰为原料制备沸石对Cd2+的吸附机理相同,即离子交换作用。沸石对重金属Cd2+吸附容量的高低不仅与沸石的比表面积、平均孔径等特性有关,而且与沸石的结构类型有关。